Consumo de agua: CSP vs. tecnologías convencionales

Agua y energía han sido, y son, un binomio catalizador del desarrollo humano. El agua, por un lado, ha determinado históricamente los patrones de asentamiento para la satisfacción de las necesidades hídricas del metabolismo humano, así como la de salvaguardar la prosperidad de los cultivos, y más adelante, la de proporcionar un vector de generación de vapor para procesos industriales. La energía, por su parte, intrínsecamente unida a la disponibilidad de agua, ha sido el vehículo que ha propiciado el avance tecnológico (con todo lo que ello supone) de la sociedad humana, siendo los dos usos finales más importantes la generación térmica y la generación eléctrica. Esta última supuso el 17,3% de la demanda de energía final consumida en el mundo en 2009 (IEA 2011), elevándose a un 21,5% en los países de la OCDE, y a un 22,7% en el caso de España (MITYC 2010).

Según la Agencia Europea de Medio Ambiente, aproximadamente el 45% del agua retirada en Europa es utilizada para la refrigeración de centrales termoeléctricas, seguido de la agricultura con un 22%, suministro de agua con un 21%, e industria con un 12% . Otras fuentes indican que un 33% de la demanda de agua de Europa es empleada en la producción de la electricidad.

En EEUU, donde prácticamente todo el peso de la producción eléctrica recae sobre las centrales termoeléctricas (>90% de la producción total), el 41% de la demanda de agua recayó sobre éstas en el año 2005 (USGS 2009), mientras que en el año 2000 fue del 39%; en valores absolutos, cada día se demandan 503,1 millones de m3, sin embargo las centrales termoeléctricas suponen un 53% del total de agua devuelta a su fuente en todo el país. En términos de consumo, por su parte, supusieron el 3% únicamente en 2005, o lo que es lo mismo, 11,3 millones de m3. El NETL ha estimado que si la potencia instalada termoeléctrica aumenta un 18% del 2005 al 2030, las necesidades de agua del sector aumentarían entre un 28-49%. Sin embargo, nuevas técnicas y mejoras podrían reducir su consumo en un 50%, al menos, teóricamente [36]. Este hecho podría afectar muy seriamente a zonas que ya se encuentran bajo una presión hídrica considerable, sin contar el efecto que el cambio climático podría añadir a estas.

La disponibilidad de agua es, por tanto, un factor que puede alterar de forma dramática, la operación de una central. El futuro parece pasar por un uso aún más intensivo del agua en la generación de electricidad. Las proyecciones muestran un aumento de un 143% para el año 2050 con respecto al 2005.

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Factor clave: los sistemas de refrigeración

La tecnología termoeléctrica utiliza vapor a alta presión y temperatura para mover la turbina, y requiere de agua de refrigeración para condensar el vapor a la salida de la misma. El calor para producir vapor lo pueden recibir de la combustión de carbón, gas, fuel, biomasa, de la fisión nuclear, del calor geotérmico, o mediante concentración de la luz solar. El sistema de refrigeración marcará prácticamente tanto la demanda como el consumo. Cabe señalar, que ambos parámetros no son linealmente dependientes, es decir, que a mayor demanda no le sigue un mayor consumo, como se verá más adelante.
El agua utilizada por las diferentes tecnologías de generación incluye no sólo la refrigeración de la planta, sino también el agua de reposición en el ciclo agua-vapor o la destinada a la limpieza de equipos. Por otra parte, siendo rigurosos, también se habría de contabilizar el agua utilizada en el ciclo de vida del combustible empleado, para poder realizar una comparación equitativa con aquellas tecnologías que no utilizan combustible alguno (caso de la solar termoeléctrica, fotovoltaica o eólica como más destacables). Sin embargo, dado que esencialmente se pretenden comparar tecnologías solares de concentración frente a las convencionales (entiéndase, carbón, gas natural y nuclear), se ha limitado a la fase de operación de la planta el análisis y alcance del proyecto. Atendiendo a esta razón, el sistema de refrigeración será, por tanto, el mayor consumidor de agua para la central.
La misión del sistema de refrigeración es cerrar el ciclo de vapor, condensando el caudal de vapor húmedo que abandona la turbina de baja presión.

El proceso de condensación se produce en un intercambiador recuperativo, donde el vapor condensante es el fluido caliente. La elección del fluido frio y el diseño del circuito dependen básicamente de la ubicación geográfica de la planta.
Existen dos alternativas para la elección del fluido: agua o aire. Desde el punto de vista de rendimiento, es preferible utilizar agua, ya que los coeficientes de convección son mayores que para gases, y por tanto es posible obtener temperaturas y presiones más bajas en la salida de la turbina, lo cual aumenta el salto entálpico del vapor y el rendimiento del ciclo. A su vez, los circuitos de refrigeración por agua se clasifican en dos grandes grupos: circuitos abiertos y cerrados. En los circuitos de refrigeración abiertos existe un suministro externo de agua fría: el mar, un río o un pantano. En los circuitos cerrados, cuando el agua de refrigeración sale del condensador, se envía a una torre de refrigeración donde baja su temperatura y vuelve de nuevo al condensador (con las consiguientes pérdidas por evaporación).

Factor de consumo mediante torres evaporativas.

Factor de consumo mediante torres evaporativas.

Factor de consumo para sistemas de refrigeración seca.

Factor de consumo para sistemas de refrigeración seca.

Factor de consumo para sistemas de refrigeración híbrida.

Factor de consumo para sistemas de refrigeración híbrida.

CSP: refrigeración seca, híbrida y húmeda

El consumo de agua de las tecnologías CSP es variable e imputable a varias razones: el sistema de refrigeración, la reposición del agua del ciclo agua-vapor, y la limpieza de espejos y las arrancadas de la planta son los cuatro grandes procesos sobre los que se hace un uso intensivo del agua. Generalmente, se ha aceptado un valor medio global para estas tecnologías de 3 m3/MWh, pero como se ha visto con los datos expuestos, este factor de consumo varía enormemente según varios factores:

  • Tipo de tecnología CSP.
  • Tipo de sistema de refrigeración utilizado.
  • Condiciones climáticas y meteorológicas alrededor de la planta.
  • Rendimiento del ciclo.

Para centrales CCP el factor de consumo global asciende a 3,27 m3/MWh si utilizan un sistema de refrigeración mediante torre evaporativa. Actualmente, existen en desarrollo grandes centrales de este tipo que utilizarán aerocondensadores para refrigerarse (Proyecto Pedro de Valdivia en Chile, de 360 MWe), y por tanto, su consumo se vería reducido a 0,29 m3/MWh, lejos de los 2,54 m3/MWh que utiliza una central nuclear típica, o incluso los 0,90 m3/MWh de las plantas de CCGN. La temperatura exterior marcará, sin embargo, una penalización en el rendimiento de la central, y elevará en todo caso el LCOE, pero dependiendo de la ubicación este hándicap será mayor o menor.

Las centrales de torre presentan un consumo medio de 2,98 m3/MWh, y generalmente se refrigerarán por medio de torres evaporativas. Existen, sin embargo, instalaciones como Ivanpah Solar Electric Generating Station, en EEUU (370 MWe) y que consiste en tres plantas refrigeradas por la vía seca. Se prevé que entre en operación en 2013.
La tecnología Fresnel presenta el consumo más alto de todas la CSP, con 3,79 m3/MWh si utiliza torres evaporativas. Sin embargo, desde un buen principio se apostó por proyectos que utilizaran la vía seca para su refrigeración, y actualmente instalaciones como la de Puerto Errado, en España, utilizan estos sistemas. Areva Solar está desarrollando en Australia una instalación de este tipo de 44 MWe, que utilizará también aeroncondensadores.

Por último, los discos Stirling, todavía han de demostrar su viabilidad a nivel comercial, existiendo actualmente pocas plantas en operación. Su consumo es nulo, salvo por la limpieza de espejos, pero al no estar sujetos al ciclo Rankine, los consumos del ciclo agua-vapor o la refrigeración requerida para tal efecto es inexistente. Un ejemplo de esta tecnología es la instalación de Manicopa, en EEUU, que cuenta con 60 discos para una potencia global de 1,5 MWe, y que lleva en operación desde el año 2010. Lo que parece claro es que la I+D+i asociada a la tecnología solar termoeléctrica ha sido el percutor de la explosión en los últimos dos años de proyectos de este tipo. Lo que antes era una limitación para su instalación por los elevados consumos de agua, ahora queda resuelto mediante la hibridación o la implementación de aerocondensadores, lo que augura un gran futuro a estas centrales en las zonas de alta irradiación, generalmente áridas y con escasa disponibilidad de agua.

Los sistemas híbridos suponen, por otra parte, una importante ventaja que puede reducir la penalización al rendimiento que imponen los sistemas de refrigeración seca. El DOE estimó que una instalación en el sureste de EEUU que usara un 50% del agua que requiere la torre evaporativa mantendría un 99% de rendimiento, mientras que si usara sólo el 10% de agua mantendría el 97%.

Fuentes

IEA

NREL

NETL

MITYC

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